تحليل تحوّلات الطاقة- العرض في مخطّط دائري

تحليل تحوّلات الطاقة- العرض في مخطّط دائري

الأهداف:

·         عرض تحوّلات الطاقة بواسطة المخطّط الدائري.

·         استعمال البنية لحلّ المشاكل، التي تمكّن صياغة تفسير بواسطة مصطلحات الطاقة، من خلال استعمال العرض المذكور أعلاه.

التصوّر الفكري- الانتقال من مخطّط الجريان إلى المخطّط الدائري

لاحظنا أنّه ليس من السهل وصف العلاقة بين أنواع الطاقة في العملية في مخطّط الجريان. هذا المخطّط لا يعرض الجزء النسبي لكلّ واحد من أنواع الطاقة (على سبيل المثال، لا يمكن بواسطته أن نصف كيف تزداد قيمة أحد الأنواع في حين تقلّ قيمة نوع آخر). لذلك ننتقل إلى استعمال عرض من نوع آخر- المخطّط الدائري. لبناء المهارات التي تتعلّق بهذا العرض، نستعمل ظاهرة الكرة التي يعرفها الطلّاب.

اقتراح لتسلسل التدريس:

ننتقل إلى استعمال المخطّط الدائري ونشرح للطلّاب:

 يمكن وصف العملية التي تشتمل على تحوّلات للطاقة بواسطة المخطّط الدائري. أفضلية استعمال هذا النوع من العرض هو أنّه يمثّل شيئًا كاملاً- أي يمثّل الطاقة الكلّية في المنظومة. الطاقة في المنظومة المغلقة تُحفظ، ولذلك يمكّن هذا العرض وصف أنواع الطاقة المختلفة وكمّيتها النسبية في كلّ مرحلة في العملية التي تحدث في المنظومة. على سبيل المثال، نفترض أنّنا نرغب في عرض تحوّلات الطاقة لجسم معيّن يسقط على الأرض (بالنسبة للأرض).  

نتطرّق إلى اللحظة الأولى للسقوط (1)، التي تكون للجسم فيها طاقة ارتفاع فقط، ونرسم مخطّطًا ملائمًا:

بعد ذلك نتطرّق إلى اللحظة التي يكون فيها الجسم قريبًا جدًّا من الأرض (2) وتكون للجسم فيها طاقة حركية فقط:

بحيث تمثّل ألوان وخطوط المخطّطات أنواع الطاقة المختلفة. لاحظوا أنّ كلّ طاقة الارتفاع تحوّلت إلى طاقة حركية، بحيث حُفظت الطاقة الكلّية.

في المرحلة الثانية نرغب في إدخال مرحلة بينية أيضًا، نفترض وجود حالة يهبط فيها الجسم ويقطع ثلث الارتفاع الأقصى. في هذه الحالة ما زالت للجسم طاقة ارتفاع (بالنسبة للأرض) لكن توجد لديه أيضًا طاقة حركية. لذلك يمكننا أن نعرض هذه الحالة البينية بواسطة مخطّط واحد يشمل نوعَي الطاقة في نفس الوقت (المخطّط الأوسط). في هذه الحالة أيضًا مجموع "الشرائح" التي تمثّل جزءَي نوعَي الطاقتين (الارتفاع والحركة) متساوٍ في كلّ حالة:

يمكن صياغة قواعد لتكوين عرض الطاقة في المنظومة المغلقة في المخطّط الدائري:

o       كلّ مخطّط دائري يمثّل حالة للمنظومة في الزمن وفي المكان.

o       كلّ جزء من المخطّط الدائري يمثّل نوعًا مختلفًا من الطاقة 11 وكمّية نسبية، لكنّها ليست مطلقة.

o       الألوان أو الخطوط المختلفة تمثّل أنواع الطاقة المختلفة.

·         نوزّع للطلاّب ورقة العمل للدرس السابع، ونبدأ بإشراكهم في تحليل الظاهرة (رسم مخطّط دائري لكلّ واحدة من الحالات 1-7).

·         يُطلب من الطلّاب إكمال ورقة العمل (من كلّ طالب) ويتمّ عرض الإجابات في نقاش مشترك في الصفّ.

·         يمكن الاستعانة بأسئلة تقييم من المجمّع المرفق للعمل في الصفّ أو لوظيفة بيتية. يُطلب من الطلّاب في جزء من الأسئلة اختيار المخطّط الصحيح لوصف توزيع الطاقة في الحالات المختلفة في مجرى ظاهرة معيّنة، ويُطلب منهم في أسئلة أخرى تكوين مخطّطات بأنفسهم.

·         أسئلة تقييم للتمرّن على استعمال المخطّط الدائري ترد في أمثلة إضافية 32-42

الدرس الثامن- تحليل تحوّلات الطاقة (تتمّة)

الهدف: التطرّق إلى أنواع طاقة أخرى في تحليل تحوّلات الطاقة.

اقتراح لتسلسل التدريس:

نعود إلى ظاهرة الكرة التي تقفز، والآن نمثّل بواسطة كرة تنس أو كرة سلة أو كرة أخرى.

يترك المعلّم الكرة (ولا يرميها باتّجاه الأسفل) ويطلب من الطلّاب أن يتابعوا الكرة التي تقفز عدّة مرّات إلى أن تتوقّف. نوجّه عناية الطلّاب إلى أنّ الكرة لا تعود إلى ارتفاعها الأصلي.

نطرح السؤال: لماذا لا تعود الكرة إلى نفس الارتفاع؟

لاحظنا أنّ هناك أنواعًا أخرى من الطاقة، منها الطاقة الحرارية (انظروا تطرّقًا إلى موضوع "الحرارة ودرجة الحرارة" أيضًا في وحدة التدريس- التعلّم- التقييم في الموضوعين "الموادّ: صفاتها واستعمالاتها" وَ "حالات وتغيّرات المادّة- النموذج الجسيمي"). نذكّر الطلّاب بالظواهر أو الصور التي تعرّفنا منها على وجود الطاقة الحرارية. في هذه المرحلة نطلب من الطلّاب فرك أيديهم ببعضها البعض والشعور بالحرارة التي نتجت. نتطرّق إلى ظواهر كالشمعة المشتعلة والسيّارة التي تسافر والمحرّك الذي يسخن والأجهزة الكهربائية وما شابه، التي نشعر فيها بارتفاع درجة الحرارة. نشرح للطلّاب أنّ تغيّر درجة الحرارة يشير إلى انتقال طاقة حرارية في الظاهرة أو العملية.

إذا سبق لنا ومثّلنا تجربة جول، يمكن العودة إليها والتحدّث عن تحوّل أنواع الطاقة المختلفة إلى طاقة حرارية.

·         نستعين بصورة الڤيديو الخاصّة بالكرة التي تقفز لتجسيد وجود الطاقة المرنة في هذه الظاهرة:

http://www.engr.colostate.edu/~dga/high_speed_video/#Sports_Equipment

http://www.engr.colostate.edu/~dga/high_speed_video/Sports%20Equipment/basketball_bounce.wmv

نستخدم الجدول التالي (فارغًا) ونملؤه مع الطلّاب أو نطلب منهم ملأه بأنفسهم:

المرحلة في العملية	التغيّرات في حالة المنظومة
	ارتفاع الكرة فوق الأرض	السرعة	شكل الكرة	درجة حرارة البيئة
من الحالة 1 إلى الحالة 2	يقلّ	تزداد	لا يتغيّر	ترتفع قليلاً
من الحالة 2 إلى الحالة 3	يقلّ	تزداد	لا يتغيّر	ترتفع قليلاً
من الحالة 3 إلى الحالة 4	يقلّ	تزداد	تنقبض عند إصابتها الأرض	ترتفع قليلاً
من الحالة 4 إلى الحالة 5	يزداد	تقلّ	تعود إلى حجمها	ترتفع قليلاً
من الحالة 5 إلى الحالة 6	يزداد	تقلّ	لا يتغيّر	ترتفع قليلاً
من الحالة 6 إلى الحالة 7	يزداد	تقلّ	لا يتغيّر	ترتفع قليلاً

ننتقل من هنا إلى وصف تحوّلات الطاقة في المنظومة:

المرحلة في العملية	التغيّرات في الطاقة
	طاقة الارتفاع	الطاقة الحركية	الطاقة المرنة	الطاقة الحرارية
من الحالة 1 إلى الحالة 2	تقلّ	تزداد	لا توجد	تزداد
من الحالة 2 إلى الحالة 3	تقلّ	تزداد	لا توجد	تزداد
من الحالة 3 إلى الحالة 4	تقلّ	تزداد	تزداد حتّى الحدّ الأقصى	تزداد
من الحالة 4 إلى الحالة 5	تزداد	تقلّ	تقلّ حتّى الصفر	تزداد
من الحالة 5 إلى الحالة 6	تزداد	تقلّ	لا توجد	تزداد
من الحالة 6 إلى الحالة 7	تزداد	تقلّ	لا توجد	تزداد

·         الآن نطلب من الطلّاب إضافة الطاقة المرنة والطاقة الحرارية كقطاع إضافي في المخطّط الدائري (ورقة العمل للدرس الثامن).

الدرس التاسع- تحليل ظواهر أخرى

الهدف: تطبيق المضامين والمهارات التي تمّ تعلّمها والانتقال إلى أمثلة جديدة.

هذا الدرس معدّ لتطبيق تحوّلات الطاقة والتمرّن عليها في ظواهر وعمليات مختلفة. نوصي بإرشاد الطلّاب للاستعانة ببنية تحليل تحوّلات الطاقة التي تدمج عروضًا بيانية في جدول وفي مخطّط دائري وصياغة تفسير علمي للظواهر المختلفة.

يمكن إيجاد أمثلة لظواهر في قائمة المصادر الموصى بها وكذلك في أسئلة التقييم في البند "3 و" وفي الأسئلة للتوسّع وللتعمّق.

أمثلة لعمليات:

·         حركة البندول.

·         متزلّج على زلاّجات في مسار مقعّر.

·        القطار الجبلي.

يمكن الاستعانة بالرابط التالي أو بروابط أخرى من المصادر الموصى بها:

http://phet.colorado.edu/simulations/sims.php?sim=Energy_Skate_Park
الدرس العاشر- إجمال الموضوع بواسطة خارطة المصطلحات

يعتمد هذا الدرس على خارطة المصطلحات للطالب التي ترد في فصل الخلفية. تُجمل هذه الخارطة المصطلحات المركزية في موضوع الطاقة بالنسبة للطلّاب.

نوصي بإجمال الموضوع بالتدريج بواسطة الخرائط المجرّدة المرفقة بأوراق العمل للطالب. هناك ثلاث صيغ مرفقة للخرائط المجرّدة. يستطيع المعلّم اختيار الصيغة التي تلائم صفّه، كما ويمكنه أن يعطي للطلّاب الأقوياء ملء الخارطة بأنفسهم، والطلّاب الأضعف- إعطاؤهم "بنك كلمات". 

مصادر من الإنترنت موصى بها للإثراء للمعلّم وللطالب:

• الطاقة من نظرة متعدّدة المجالات/ رامي أريئيلي، قسم تدريس العلوم
  http://stwww.weizmann.ac.il/energy
• مطاح، موقع أوفق، العلوم والتكنولوجيا
  http://web-support.go.cet.ac.il/matars/forums/board.asp?Asp=401&FID=46423
• دورة الطاقة في أورت أڤيڤ
  http://space.ort.org.il/energy/
• في عين الطاقة، عملنت، 2002
  http://www.amalnet.k12.il/meida/energy/default.asp?url=articles/ener0003.htm
• موقع Energy Matters
  http://library.thinkquest.org/20331/types/
• موقع Physics Classroom
  http://www.physicsclassroom.com/Class/energy/energtoc.html
• موقع Energy Quest
  http://www.energyquest.ca.gov/index.html
• موقع The Science Explorer
  http://www.exploratorium.edu/science_explorer/
• موقع محاكاة حاسوبية
  http://phet.colorado.edu/simulations/sims.php?sim=Energy_Skate_Park
• براينپوپ
  http://www.brainpop.co.il/category_8/subcategory_94 /
• محاضرة للدكتور عوڤاد كيدم "?Energy, what's about", تعريف مصطلح الطاقة
  http://stwww.weizmann.ac.il/tech-center/mot-net/energy2007/ENERGY1.htm

• برامج من التلفزيون التربوي في موضوع الطاقة والتفاعل المتبادل (الشرائط 42-67)
• مقال ليوآڤ بن دوڤ- الطاقة والإنتروبيا
  http://bendov.info/heb/books/physbook/05.htm
• روابط باللغة الإنجليزية
  http://www.sldirectory.com/teachf/scied.html#energy

• مجريات دروس في موضوع الطاقة باللغة الإنجليزية http://www.eia.doe.gov/kids/energy.cfm?page=6 http://www.need.org/needpdf/RoundInstructions.pdf http://www.physicsclassroom.com/mmedia/#work
• قانون حفظ الطاقة http://www.eia.doe.gov/energyexplained/index.cfm?page=about_laws_of_energy

• موديلات لتدريس مصطلح الطاقة
  http://www.scribd.com/doc/28085746/Models-for-Teaching-Energy
• Should energy be illustrated as something quasi-material? Reinders Duit
  International Journal of Science Education, 1464-5289, Volume 9, Issue 2, 1987, Pages 139 – 145

ه. أوراق عمل للطالب

ورقة عمل للطالب في موضوع تشخيص أنواع الطاقة (الدرس الثالث) أمامكم عدّة محطّات. أكملوا الجدول المرفق بالنسبة لكلّ واحدة من المحطّات. وصف العملية.     ما الذي تغيّر في العملية؟ اكتبوا مميّزات يمكنها وصف التغيّرات في العملية. (على سبيل المثال، ارتفاع الكرة التي تُرمى إلى السلّة.) ما هي أنواع الطاقة الملائمة للمميّزات التي قمتم بتشخيصها في هذه العملية؟ (على سبيل المثال، طاقة الارتفاع.) وصف العملية المميّزات نوع/ أنواع الطاقة

ورقة إجابات للمعلّم لورقة العمل في موضوع تشخيص أنواع الطاقة (الدرس الثالث) (إجابات لعدّة أمثلة) أمامكم عدّة محطّات. أكملوا الجدول المرفق بالنسبة لكلّ واحدة من المحطّات. وصف العملية.     ما الذي تغيّر في العملية؟ اكتبوا مميّزات يمكنها وصف التغيّرات في العملية. (على سبيل المثال، ارتفاع الكرة التي تُرمى إلى السلّة.) ما هي أنواع الطاقة الملائمة للمميّزات التي قمتم بتشخيصها في هذه العملية؟ (على سبيل المثال، طاقة الارتفاع.) وصف العملية المميّزات نوع/ أنواع الطاقة كرة تقفز   ارتفاع سرعة طاقة ارتفاع طاقة حركية شمعة مشتعلة ضوء (نستوعبه في أعيننا) درجة الحرارة (تسخّن) نوع المادّة (شمع منصهر) طاقة أشعّة طاقة حرارية طاقة كيميائية نابض يتحرّر (ألعاب مختلفة مبنية على هذه الظاهرة) شكل (استطالة النابض) سرعة (حركة) طاقة مرنة طاقة حركية ألعاب ناريّة ضوء (نستوعبه في أعيننا) نوع المادّة (لعبة ناريّة تحترق) طاقة أشعّة طاقة كيميائية مروحة كهربائية مكان الشحنة الكهربائية (تيّار كهربائي) سرعة (حركة) طاقة كهربائية طاقة حركية

ورقة عمل للطالب في موضوع مصطلحات الطاقة (الدرس الرابع) تتطرّق الأسئلة التالية إلى الفعالية/ التمثيل/ المحاكاة الحاسوبية التي أجريت في الدرس: 1. صفوا الظاهرة التي شاهدتموها بلغة حرّة. (تطرّقوا إلى المراحل المختلفة حسب الحاجة.) ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ 2. استعينوا بالأسئلة الموجِّهة التالية لوصف الظاهرة التي شاهدتموها: ·         ما هي المركّبات التي تتعلّق بالظاهرة والضرورية للوصف (مركّبات المنظومة)؟ على سبيل المثال- في ظاهرة الولد الذي يركل الكرة، المركّبات هي الولد والكرة والملعب والهواء.) _____________________________ ______________________________________________________________________ ما هي الحالة الابتدائية للمنظومة؟ (على سبيل المثال- في ظاهرة الولد الذي يركل الكرة، الحالة الابتدائية هي الكرة في حالة سكون بالقرب من قدم الولد.) ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ ما هي الحالة النهائية للمنظومة؟ (على سبيل المثال- في ظاهرة الولد الذي يركل الكرة، الحالة النهائية يمكن أن تكون أنّ الكرة في حركة في الهواء أو الكرة في حالة سكون داخل المرمى.) _____   ___________________________________________________________ ________________________________________________________________ هل لاحظتم تغيّرًا ما بين الحالة الابتدائية والحالة النهائية من ناحية المميّزات التالية: الارتفاع ______________________________________________ السرعة ____________________________________________ الشكل ______________________________________________ نوع/ تركيبة/ مبنى المادّة ___________________________________ التيّار الكهربائي __________________________________________ درجة الحرارة __________________________________________ الأشعّة _____________________________________________________ مميّز آخر ______________________________________________________ 3. استعينوا بمصطلحات الطاقة لوصف الظاهرة التي شاهدتموها. ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________

ورقة إجابات (للمعلم) لورقة العمل للطالب في موضوع مصطلحات الطاقة (الدرس الرابع) تتطرّق الإجابات التالية إلى ظاهرة الشمعة المشتعلة. 1. صفوا الظاهرة التي شاهدتموها بلغة حرّة. (تطرّقوا إلى المراحل المختلفة حسب الحاجة.) ________  احترقت فتيلة الشمعة ونشرت ضوءًا. كبرت اللهبة. الشمع انصهر. ________ 2. استعينوا بالأسئلة الموجِّهة التالية لوصف الظاهرة التي شاهدتموها: ما هي المركّبات التي تتعلّق بالظاهرة والضرورية للوصف (مركّبات المنظومة)؟ على سبيل المثال- في ظاهرة الولد الذي يركل الكرة، المركّبات هي الولد والكرة والملعب والهواء.) ____ مركّبات المنظومة هي: شمعة، فتيلة، لهبة، هواء، طبق. ___ ما هي الحالة الابتدائية للمنظومة؟ (على سبيل المثال- في ظاهرة الولد الذي يركل الكرة، الحالة الابتدائية هي الكرة في حالة سكون بالقرب من قدم الولد.) ____ الحالة الابتدائية هي شمعة كاملة ليست مشتعلة. ___ ما هي الحالة النهائية للمنظومة؟ (على سبيل المثال- في ظاهرة الولد الذي يركل الكرة، الحالة النهائية يمكن أن تكون أنّ الكرة في حركة في الهواء أو الكرة في حالة سكون داخل المرمى.) هناك حالة بينية تكون الشمعة فيها مشتعلة، الشمع ينصهر. نرى ضوءًا ونشعر (أو نقيس) بارتفاع درجة الحرارة. في الحالة النهائية تصغر الشمعة بالنسبة للحالة الابتدائية. الشمعة منطفئة، الفتيلة سوداء، رائحة حريق. هل لاحظتم تغيّرًا ما بين الحالة الابتدائية والحالة النهائية من ناحية المميّزات التالية: الارتفاع ___  كلّا ____ السرعة/ الحركة __________________   كلّا ________________ الشكل _______________ نعم، تغيّر يتعلّق بالتغيّر في المادّة _________ نوع/ تركيبة/ مبنى المادّة _______ نعم، انصهر الشمع واحترق الفتيل. التيّار الكهربائي ___________________ كلّا _____________________ درجة الحرارة ______ نعم، نشعر بارتفاع درجة الحرارة حول الشمعة ___ الأشعّة ____________ نعم، تنشر الشمعة ضوءًا (شدّته متغيّرة) ______ مميّز آخر ______________________________________________________ 3. استعينوا بمصطلحات الطاقة لوصف الظاهرة التي شاهدتموها. في ظاهرة الشمعة المشتعلة تطرأ تغيّرات على المادّة التي تركّب الشمعة (الشمع والفتيل) وعلى درجة حرارة بيئة الشمعة، وعلى الضوء الذي ينبعث منها. من هنا تشارك في هذه الظاهرة تحوّلات في الطاقة من الأنواع التالية: طاقة كيميائية، طاقة أشعّة، طاقة حرارية.

ورقة عمل للطالب في موضوع تحوّلات الطاقة: مثال الكرة التي تقفز (الدرس الخامس)

تحليل ظاهرة الكرة التي تقفز بواسطة جدول:

أ. تحليل التغيّرات في المنظومة:

المرحلة في العملية	التغيّرات في منظومة الكرة التي تقفز
	الارتفاع فوق الأرض	السرعة
من الحالة 1 إلى الحالة 2
من الحالة 2 إلى الحالة 3
من الحالة 3 إلى الحالة 4
من الحالة 4 إلى الحالة 5
من الحالة 5 إلى الحالة 6
من الحالة 6 إلى الحالة 7

ب. تحليل التغيّرات في الطاقة في المنظومة:

المرحلة في العملية	التغيّرات في الطاقة في منظومة الكرة التي تقفز
	طاقة الارتفاع	الطاقة الحركية
من الحالة 1 إلى الحالة 2
من الحالة 2 إلى الحالة 3
من الحالة 3 إلى الحالة 4
من الحالة 4 إلى الحالة 5
من الحالة 5 إلى الحالة 6
من الحالة 6 إلى الحالة 7

---

11 أجزاء المخطّط الدائري تمثّل أنواع الطاقة ولا تمثّل أجسامًا في المنظومة. على سبيل المثال في ظاهرة الكرة التي تقفز، جزء المخطّط الدائري الذي يمثّل الطاقة الحرارية يمثّل تسخّن الهواء والكرة والأرض. في هذا العرض لا نميّز بين الأجسام المختلفة في نفس المنظومة. على سبيل المثال عندما تسقط علبة المشروب على البلاستيلينا، العلبة والبلاستيلينا تُشملان في نفس المنظومة وفي لحظة الإصابة كلتاهما تسخنان. المخطّط الدائري الملائم يشمل جزءًا معيّنًا من المخطّط الدائري الذي يمثّل الطاقة الحرارية بالنسبة لجميع الأجسام في المنظومة.